微重力下两相控温型储液器内流动与传热机理的研究

Two-phase temperature control accumulator (short for accumulator) is the key component of mechanically pumped two-phase loop (MPTL) system, which acts like the brain of MPTL system. The main functions of accumulator include regulating the evaporator set-point temperature, adjusting the working fluid of MPTL system distribution and keeping the MPTL system operating steadily. The flow behavior of the fluid in accumulator led by the surface tension, the heat and mass transfer between the accumulator and main loop and the phenomenon of gas-liquid separation are crucial for the normal usage of accumulator under the microgravity condition. Hence, numerical simulations of microgravity flow and heat transfer in accumulator are very important. The research object is accumulator in this research project. Firstly, the gas and liquid-thermo-solid multi-coupling flow and heat transfer processes are investigated. Secondly, a numerical simulation method is developed to analyze the flow phenomenon and interfacial behaviors led by surface tension. Thirdly, the flow behaviors and heat transfer characteristics, the dynamic variation of gas and liquid and the influence factor of stability by considering the coupling effect of main loop, and the gas-liquid separation rule in the micro-scale capillary structure are discussed. The contents of this project are of great importance to understand the rule of heat and mass transfer and he method of fluid control and fluid transport, and guide the design, manufacture and application of accumulator.

两相控温型储液器（简称储液器）是机械泵驱动两相流体回路系统中的一个重要部件，其作用相当于系统的大脑，起着控制蒸发器的工作点，调节系统内的流体的分配，维持系统稳定运行的作用。微重力下，储液器内部的流体在表面张力主导情况下的流动行为、储液器与主回路之间耦合的传热传质特性以及气液分离现象，对于储液器的正常使用起到至关决定性作用。因此，考虑微重力下储液器内部流动与传热数值模拟是非常重要的。本项目以储液器为研究对象，研究其在微重力下气液/热/固多过程耦合的流动与传热特性，探索表面张力作用下的流动现象与界面行为的数值分析方法，揭示考虑内部结构和加热过程影响的流动行为和传热特性，考虑主回路耦合影响下储液器内气液动态变化过程与稳定性影响因素以及微尺度下毛细结构内的气液分离规律。本项目的研究内容对于了解微重力下流体传热传质规律、流体控制和传输管理方法，指导储液器的设计、制造和应用均具有重要的科学意义。

本项目对微重力环境下两相控温型储液器内气液两相流动与传热机理开展研究。对微重力下气液/热/固多过程耦合流动与传热特性进行研究，分析了表面张力主导作用下气液两相流动现象与界面分布规律，探讨了内部结构和不同形状对流动行为的影响，研究主回路与储液器相互耦合下的气液动态变化过程，获得两相流动不稳定性影响因素与抑制不稳定性的措施。项目完成四方面内容：1）两相储液器内详细仿真模型研究。仿真分析了不同Bond数、接触角、工质充灌量对气液分布的影响，获得了气液界面状态与各参数的关系；2）建立了两相储液器与主回路耦合的系统级分析模型。分析了二者之间工质交换的影响因素，获得了工质交换时储液器内部气液两相流体温度和压力变化规律，确定了工质交换特性与热源开关状态、功率、两相段长度等因素之间的关系；3）搭建了两相控温器测试试验系统。确定了两相流动不稳定性现象出现的时机，明确了不同操作过程下不稳定性类型，提出了抑制回路级不稳定性的措施；4）提出了一种新型具有主动冷却能力的两相储液器设计方法，考虑了不同流体运动规律，设计了不同毛细结构实现了内部流动输运、气液分布与分离的合理管控，采用了地面多姿态测试方法，测试了储液器内各毛细结构对流体的管控功能，通过在轨飞行使用，全面验证了微重力下两相控温型储液器的两相流体管理与温度控制等功能。通过本项目的研究，深化了对微重力下两相流动传热与传质规律的理解，同时从理论上分别建立了组件级与系统级分析模型，掌握了微重力下两相流体控制与传输管理方法，并实现了产品研制与工程应用，这对主动式两相流热控技术在空间环境下的进一步优化和发展，提供了理论和数据支持。